JP6507460B2

JP6507460B2 - 蒸気タービン

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Publication number: JP6507460B2
Application number: JP2017536070A
Authority: JP
Inventors: 拓郎香田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Priority date: 2015-08-21
Filing date: 2015-08-21
Publication date: 2019-05-08
Anticipated expiration: 2035-08-21
Also published as: EP3284915B1; EP3284915A1; JPWO2017033227A1; WO2017033227A1; EP3284915A4; US10513937B2; US20180156050A1

Description

この発明は、蒸気で駆動する蒸気タービンに関する。

蒸気タービンは、軸線を中心として回転するロータと、このロータを覆うケーシングとを備えている。ロータは、軸線を中心として軸方向に延びるロータ軸と、ロータ軸の外周に固定されて軸方向に並ぶ複数段の動翼列と、を有する。蒸気タービンは、ケーシングの内周に固定され、複数段の動翼列の各段の上流側に配置されている静翼列を有する。

特許文献１の蒸気タービンは、静翼列の静翼の内周側に設けられた内輪の下流側端面から下流側に突出するリング状突起を有している。また、この蒸気タービンでは、動翼列を構成する動翼の内周側に設けられた筒状の動翼支持部の上流側端面から上流側に突出するリング状突起を有している。さらに、この蒸気タービンでは、静翼側のリング状突起を、動翼側のリング状突起の外周側に配置し、これらを軸方向で重なり合うよう設けている。これにより、静翼と動翼との間の隙間をクランク状に屈曲させ、蒸気主流路を流れる蒸気が動翼列と静翼列との隙間から内周側に漏れ出ることを抑えている。

特開２０１５−２５４０４号公報

しかしながら、蒸気タービンの効率改善のため、蒸気主流路を流れる蒸気の漏れを、より確実に抑えることが望まれている。

この発明は、蒸気主流路を流れる蒸気の漏れ量を低減し、タービン効率を改善することのできる蒸気タービンを提供する。

この発明に係る第一態様によれば、蒸気タービンは、軸線を中心として回転する軸芯部と、前記軸芯部に固定されて前記軸芯部における径方向外側に広がるディスク部とを有するロータ軸と、前記ディスク部の外周に固定され、前記軸芯部が延びる軸方向に並んでいる複数の動翼列と、複数の前記動翼列毎に、前記動翼列の前記軸方向における上流側に隣接している静翼列と、を備え、前記動翼列と、前記動翼列の上流側に隣接配置されている前記静翼列との組で構成される複数の段のうち、最も上流側に配置されている調速段を構成する前記静翼列及び前記動翼列の隙間に、前記軸方向に延在して蒸気が流通する蒸気主流路から径方向内側に延びる隙間流路が形成され、一端が前記ディスク部における前記静翼列と対向する面で前記隙間流路に連通し、他端が前記隙間流路内の前記蒸気の圧力よりも高い圧力の前記蒸気が存在する空間に連通する連通路が前記調速段の前記動翼列が固定された前記ディスク部に前記軸方向に連続して形成され、前記隙間流路は、外部と連通する空間と繋がっている。

このような構成によれば、隙間流路内に連通路を通して蒸気が流れ込む。これにより、隙間流路内を流れる蒸気主流路から漏れ出た蒸気の流れが縮流される。つまり、隙間流路での蒸気の流れが阻害され、蒸気主流路から隙間流路に漏れ出す蒸気の量を抑えることができる。

この発明に係る第二態様によれば、蒸気タービンは、第一態様の蒸気タービンにおいて、前記隙間流路の前記径方向の前記蒸気主流路側に設けられ、前記動翼列から前記静翼列に向かって延びるフィンを備えるようにしてもよい。

これにより、隙間流路にフィンを設けることで、調速段の動翼列と静翼列との間の間隔を狭めて、隙間流路に流入する蒸気の量をより抑えることができる。

この発明に係る第三態様によれば、蒸気タービンは、第二態様の蒸気タービンにおいて、前記隙間流路の流路幅は、前記フィンの先端部と前記静翼列の下流側の端部との隙間よりも大きく、前記調速段の前記動翼列の上流側の端部と前記調速段の前記静翼列の下流側の端部との間で最も大きくされていてもよい。

これにより、連通路から噴出する蒸気による縮流効果を効率的に利用した隙間流路を形成することができる。

この発明に係る第四態様によれば、蒸気タービンは、第一から第三態様の何れか一つの蒸気タービンにおいて、記隙間流路は、前記蒸気主流路から前記径方向内側に延びる外周側流路部と、前記外周側流路部に接続され、前記軸方向に延びる中間流路部と、前記中間流路部から前記径方向内側に延びる内周側流路部と、を備えていてもよい。

これにより、隙間流路は、外周側から内周側に向かってクランク状に屈曲するため、流路抵抗が大きくなり、蒸気主流路から流れ出る蒸気の量を抑えることができる。

上述した蒸気タービンによれば、調速段を構成する静翼列及び動翼列の隙間に形成された隙間流路に連通路から蒸気が流入することで、蒸気主流路を流れる蒸気の漏れ量を低減し、タービン効率を改善することが可能となる。

この発明の第１実施形態における蒸気タービンの断面図である。この発明の第１実施形態の蒸気タービンにおける動翼のディスク部への取付構造を示す図である。この発明の第１実施形態の蒸気タービンにおける調速段の静翼列及び動翼列の断面図である。この発明の第２実施形態の蒸気タービンにおける調速段の静翼列及び動翼列の断面図である。

（第１実施形態）
図１は、この発明の第１実施形態における蒸気タービンの断面図である。図２は、この発明の第１実施形態の蒸気タービンにおける動翼のディスク部への取付構造を示す図である。図３は、この発明の第１実施形態の蒸気タービンにおける調速段の静翼列及び動翼列の断面図である。

図１に示すように、本実施形態の蒸気タービン１は、軸線Ａｒを中心として回転するロータ２０と、ロータ２０を回転可能に覆うケーシング１０と、を有している。

なお、以下の説明の都合上、軸線Ａｒが延びている方向を軸方向Ｄａ、軸方向Ｄａの第一側を上流側（一方側）Ｄａｕ、軸方向Ｄａの第二側を下流側（他方側）Ｄａｄとする。また、軸線Ａｒを基準とした後述する軸芯部２２における径方向を単に径方向Ｄｒ、この径方向Ｄｒで軸線Ａｒに近づく側を径方向内側Ｄｒｉ、この径方向Ｄｒで径方向内側Ｄｒｉとは反対側を径方向外側Ｄｒｏとする。また、軸線Ａｒを中心とした軸芯部２２の周方向を単に周方向Ｄｃとする。

ロータ２０は、ロータ軸２１と、ロータ軸２１の軸方向Ｄａに沿って間隔をあけて複数列設けられた動翼列３１と、を有している。

ロータ軸２１は、軸線Ａｒを中心として円柱状を成し、軸方向Ｄａの延びる軸芯部２２と、軸芯部２２から径方向外側Ｄｒｏに広がり軸方向Ｄａに互いに間隔をあけて並ぶ複数のディスク部２３と、を有する。ディスク部２３は、複数の動翼列３１毎に設けられている。

動翼列３１は、ロータ軸２１の外周部分であるディスク部２３の外周に取り付けられている。動翼列３１は、ロータ軸２１の軸方向Ｄａに沿って間隔をあけて複数列が設けられている。本実施形態の場合、動翼列３１の数は、７つ設けられている。よって、本実施形態の場合、動翼列３１として、第１段から第７段の動翼列３１まで設けられている。

蒸気タービン１は、さらに、ケーシング１０の内周に固定され、軸方向Ｄａに沿って間隔を空けて設けられた複数の静翼列４１を備えている。静翼列４１は、複数の動翼列３１毎に、動翼列３１の軸方向Ｄａの上流側に隣接している。本実施形態の場合、静翼列４１の数は、動翼列３１の数と同じ７つ設けられている。よって、本実施形態の場合、静翼列４１として、第１段から第７段の静翼列４１まで設けられている。複数の静翼列４１は、それぞれ動翼列３１に対して上流側Ｄａｕに隣接して配置されている。

ケーシング１０には、外部からの蒸気Ｓが流入するノズル室１１と、ノズル室１１からの蒸気Ｓが流れる蒸気主流路室１２と、蒸気主流路室１２から流れた蒸気Ｓを排出する排気室１３と、が形成されている。ノズル室１１と蒸気主流路室１２と間には、複数の動翼列３１及び静翼列４１のうちで最も上流側Ｄａｕの動翼列３１及び静翼列４１が配置されている。言い換えると、ケーシング１０内は、この最も上流側Ｄａｕの動翼列３１及び静翼列４１により、ノズル室１１と蒸気主流路室１２とに仕切られている。蒸気主流路室１２には、複数の動翼列３１及び静翼列４１のうちで最も上流側Ｄａｕの動翼列３１及び静翼列４１を除く静翼列４１の全てと、複数の動翼列３１の全てとが配置されている。

動翼列３１と、この動翼列３１の上流側Ｄａｕに隣接配置されている静翼列４１との組毎に一つの段５０が形成されている。本実施形態の蒸気タービン１は、７つの動翼列３１のそれぞれに対して静翼列４１が設けられているので、７つの段５０を備える。つまり、本実施形態の蒸気タービン１は、上流側Ｄａｕから順に、第一段５１、第二段５２、第三段５３、第四段５４、第五段５５、第六段５６、及び第七段５７を備えている。

本実施形態の蒸気タービン１では、複数の段５０のうち、最上流の第一段５１が、調速段５０ａを成している。調速段５０ａは、この調速段５０ａよりも下流側Ｄａｄの段５０へ送られる蒸気Ｓの流量を調節してロータ２０の回転数を調整する。

本実施形態の蒸気タービン１では、第二段５２、第三段５３、及び第四段５４が、中圧段５０ｂを成す。また、本実施形態の蒸気タービン１では、第五段５５、第六段５６、及び第七段５７が、低圧段５０ｃを成す。

よって、以下では、調速段５０ａの一部を構成する第一段５１の静翼列４１を調速段静翼列４１ａと呼ぶ。調速段５０ａの他の一部を構成する第一段５１の動翼列３１を調速段動翼列３１ａと呼ぶ。

また、中圧段５０ｂの一部を構成する第二段５２の静翼列４１から第四段５４の静翼列４１を中圧段静翼列４１ｂと呼ぶ。中圧段５０ｂの他の一部を構成する第二段５２の動翼列３１から第四段５４の動翼列３１を中圧段動翼列３１ｂと呼ぶ。

また、低圧段５０ｃの一部を構成する第五段５５の静翼列４１から第七段５７の静翼列４１を低圧段静翼列４１ｃと呼ぶ。低圧段５０ｃの他の一部を構成する第五段５５の動翼列３１から第七段５７の動翼列３１を低圧段動翼列３１ｃと呼ぶ。

さらに、調速段動翼列３１ａが固定されているロータ軸２１のディスク部２３を調速段ディスク部２３ａと呼ぶ。中圧段動翼列３１ｂが固定されているロータ軸２１のディスク部２３を中圧段ディスク部２３ｂと呼ぶ。低圧段動翼列３１ｃが固定されているロータ軸２１のディスク部２３を低圧段ディスク部２３ｃと呼ぶ。

図１、図２に示すように、各動翼列３１は、周方向Ｄｃに並ぶ複数の動翼３２を有している。各動翼３２は、径方向Ｄｒに延びる翼体３３と、この翼体３３の径方向外側Ｄｒｏに設けられているシュラウド３４と、この翼体３３の径方向内側Ｄｒｉに設けられているプラットフォーム３５と、プラットフォーム３５の径方向内側Ｄｒｉに設けられている翼根３６（図２参照）と、を有する。この動翼３２においてシュラウド３４とプラットフォーム３５との間は、蒸気Ｓが流通する蒸気主流路１５の一部を成している。蒸気主流路１５は、複数の動翼列３１及び静翼列４１に跨って軸方向Ｄａに延在している。蒸気主流路１５は、ロータ２０の周りで環状をなしている。

図３に示すように、調速段動翼列３１ａには、アキシャルフィン（フィン）３５Ｆａ及び３５Ｆｂが設けられている。アキシャルフィン（フィン）３５Ｆａ及び３５Ｆｂは、後述する隙間流路１００Ａの径方向Ｄｒの蒸気主流路１５側の開口に面して設けられている。アキシャルフィン（フィン）３５Ｆａ及び３５Ｆｂは、調速段動翼列３１ａから調速段静翼列４１ａに向かって延びている。

本実施形態のアキシャルフィン（フィン）３５Ｆａ及び３５Ｆｂは、動翼３２のプラットフォーム３５の軸方向Ｄａの上流側Ｄａｕに設けられている。アキシャルフィン３５Ｆａは、プラットフォーム３５の軸方向Ｄａの上流側を向く端面３５ｕの径方向外側Ｄｒｏから、上流側Ｄａｕに突出するよう形成されている。アキシャルフィン３５Ｆｂは、プラットフォーム３５の端面３５ｕの径方向内側Ｄｒｉから、上流側Ｄａｕに突出するよう形成されている。

これらアキシャルフィン３５Ｆａ及び３５Ｆｂにより、調速段動翼列３１ａの動翼３２の前縁部であるプラットフォーム３５の端面３５ｕと、調速段静翼列４１ａの静翼４２の後縁部である静翼４２の後述する内側リング４６とのクリアランスを狭めている。これにより、アキシャルフィン３５Ｆａ及びアキシャルフィン３５Ｆｂは、軸方向Ｄａに延びる蒸気主流路１５から調速段動翼列３１ａと調速段静翼列４１ａとの隙間に向かって径方向内側Ｄｒｉへの蒸気Ｓの漏れを抑えている。

図２に示すように、動翼列３１を構成する複数の動翼３２のそれぞれにおいて、翼根３６は、後述するように、ロータ軸２１におけるディスク部２３の外周部に形成された翼溝２８に嵌め込まれている。

図２に示すように、各動翼列３１において、それぞれの動翼３２の翼根３６は、プラットフォーム３５の径方向内側Ｄｒｉを向くプラットフォーム内周面３５ｆから径方向内側Ｄｒｉに延びるよう形成されている。翼根３６は、プラットフォーム内周面３５ｆから径方向内側Ｄｒｉに延びる翼根本体３７と、翼根本体３７から周方向Ｄｃ両側に向かってそれぞれ突出する係合凸部３８とを有する。係合凸部３８は、径方向Ｄｒに沿って間隔を空けた複数箇所で翼根本体３７から突出している。係合凸部３８は、後述する翼溝２８に形成された係合凹部２９に係合する。この実施形態において、係合凸部３８は、径方向Ｄｒに沿って間隔を空けた３カ所に形成されている。係合凸部３８Ａ、３８Ｂ、３８Ｃは、翼根３６の周方向Ｄｃの一方側と他方側に、それぞれ、翼根３６の周方向Ｄｃの中心から周方向Ｄｃに沿って離間する方向に凸となる湾曲面形状を有している。

ここで、プラットフォーム３５側の係合凸部３８Ａに対し、径方向内側Ｄｒｉに配置された係合凸部３８Ｂ及び係合凸部３８Ｃは、周方向Ｄｃに向かった突出寸法が、漸次小さくなるよう形成されている。また、翼根本体３７におけるプラットフォーム３５と係合凸部３８Ａとの間の第一幹部３９Ａ、係合凸部３８Ａと係合凸部３８Ｂとの間の第二幹部３９Ｂ、及び係合凸部３８Ｂと係合凸部３８Ｃとの間の第三幹部３９Ｃは、プラットフォーム３５側から径方向内側Ｄｒｉに向かって、周方向Ｄｃの幅寸法が漸次小さくなるよう形成されている。これにより、翼根３６は、いわゆるクリスマスツリー状をなしている。

各係合凸部３８には、径方向外側Ｄｒｏに向かう方向成分を含む方向を向く翼根外側面３８ｆが形成されている。翼根外側面３８ｆは、係合凸部３８において、径方向外側Ｄｒｏに形成された面である。なお、翼根外側面３８ｆの向きは、径方向外側Ｄｒｏに向かう方向成分を含んでいればよく、径方向Ｄｒと平行な方向や、径方向Ｄｒに対して傾斜した方向であってもよい。

また、各係合凸部３８には、径方向内側Ｄｒｉに向かう方向成分を含む方向を向く翼根内側面３８ｇが形成されている。翼根内側面３８ｇは、係合凸部３８において、径方向内側Ｄｒｉに形成された面である。なお、翼根内側面３８ｇの向きは、径方向内側Ｄｒｉに向かう方向成分を含んでいればよく、径方向Ｄｒと平行な方向や、径方向Ｄｒに対して傾斜した方向であってもよい。

各ディスク部２３の外周部には、径方向内側Ｄｒｉに向かって延びる翼溝２８が形成されている。翼溝２８は、ディスク部２３の最も径方向外側Ｄｒｏに形成されたロータ外周面２３ｆから径方向内側Ｄｒｉに窪んで形成されている。ロータ外周面２３ｆは、プラットフォーム内周面３５ｆと対向している。

翼溝２８は、翼根３６の外周形状を補形するよう形成されている。翼溝２８は、径方向Ｄｒに沿って間隔を空けた複数箇所に、周方向Ｄｃの両側に向かって窪む係合凹部２９を有している。この実施形態において、係合凹部２９は、翼溝２８の周方向Ｄｃの一方側と他方側に、それぞれ、径方向Ｄｒに沿って間隔を空けた３カ所に形成されている。これら３カ所の係合凹部２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃは、それぞれ、翼溝２８の周方向Ｄｃの中心から周方向Ｄｃに沿って離間する方向に窪む湾曲面形状を有している。

各係合凹部２９は、径方向内側Ｄｒｉに向かう方向成分を含む方向を向く翼溝内側面２９ｆを有している。翼溝内側面２９ｆは、係合凹部２９において、径方向外側Ｄｒｏに形成された面である。なお、翼溝内側面２９ｆの向きは、径方向内側Ｄｒｉに向かう方向成分を含んでいればよく、径方向Ｄｒと平行な方向や、径方向Ｄｒに対して傾斜した方向であってもよい。

また、各係合凹部２９は、径方向外側Ｄｒｏに向かう方向成分を含む方向を向く翼溝外側面２９ｇを有している。翼溝外側面２９ｇは、係合凹部２９において、径方向内側Ｄｒｉに形成された面である。なお、翼溝外側面２９ｇの向きは、径方向外側Ｄｒｏに向かう方向成分を含んでいればよく、径方向Ｄｒと平行な方向や、径方向Ｄｒに対して傾斜した方向であってもよい。

ここで、ロータ軸２１が軸線Ａｒ回りに回転すると、ロータ軸２１のディスク部２３とともに、各動翼３２がロータ軸２１の軸線Ａｒを中心として旋回する。これにより、各動翼３２には遠心力が作用する。この遠心力によって径方向外側Ｄｒｏに向かって動翼３２が変位しようとする。その結果、係合凸部３８Ａ、３８Ｂ、及び３８Ｃの各翼根外側面３８ｆと、係合凹部２９Ａ、２９Ｂ、及び２９Ｃの各翼溝内側面２９ｆとが突き当たる。すなわち、翼根３６の各翼根外側面３８ｆと、翼溝２８の各翼溝内側面２９ｆとが接触した状態で、動翼３２が支持される。

一方、動翼３２に遠心力が生じることで、係合凸部３８Ａ、３８Ｂ、及び３８Ｃの翼根内側面３８ｇと、係合凹部２９Ａ、２９Ｂ、及び２９Ｃの翼溝外側面２９ｇとの間の距離が離れる。その結果、それぞれの翼根内側面３８ｇと翼溝外側面２９ｇと間の隙間１０１が大きくなる。図３に示すように、この隙間１０１は、ディスク部２３の上流側Ｄａｕと下流側Ｄａｄとを連通するよう、軸方向Ｄａに沿って連続して形成される。

図３に示すように、調速段ディスク部２３ａは、上流側Ｄａｕを向く上流側面２３ｕに、その強度を増すためにプラットフォーム３５よりも軸方向Ｄａに沿った板厚が大きく設定された厚肉部２３ｎを有している。さらに、調速段ディスク部２３ａは、厚肉部２３ｎの径方向外側Ｄｒｏに、プラットフォーム３５のプラットフォーム内周面３５ｆ側から厚肉部２３ｎに向かって、軸方向Ｄａの板厚が漸次増大する肉厚増大部２３ｚを有している。

これにより、調速段ディスク部２３ａは、上流側Ｄａｕを向く上流側面２３ｕに、ディスク傾斜面２３ｋと、直交面２３ｔと、が形成されている。ディスク傾斜面２３ｋは、プラットフォーム３５の上流側Ｄａｕの端面３５ｕから径方向内側Ｄｒｉに向かって上流側Ｄａｕに傾斜している。直交面２３ｔは、ディスク傾斜面２３ｋから径方向内側Ｄｒｉに向かって軸方向Ｄａに直交して延びている。

図１に示すように、静翼列４１は、周方向Ｄｃに並ぶ複数の静翼４２と、複数の静翼４２の径方向外側Ｄｒｏに設けられている環状の外側リング４３と、複数の静翼４２の径方向内側Ｄｒｉに設けられている環状の内側リング４６と、を有する。すなわち、複数の静翼４２は、外側リング４３と内側リング４６との間に配置されている。静翼４２は、外側リング４３と内側リング４６とに固定されている。外側リング４３と内側リング４６との間の環状の空間は、蒸気Ｓが流れる蒸気主流路１５の一部を成している。外側リング４３は、複数の静翼４２が固定されているリング本体部４４と、このリング本体部４４から下流側Ｄａｄに突出しているリング突出部４５と、を有する。このリング突出部４５は、静翼列４１の下流側Ｄａｄに隣接している動翼列３１のシュラウド３４と径方向Ｄｒに間隔をあけて対向している。

複数の静翼列４１のうち、調速段静翼列４１ａには、第一直交面４１ｓと、傾斜面４１ｋと、第二直交面４１ｔと、が形成されている。

第一直交面４１ｓは、調速段動翼列３１ａのプラットフォーム３５の端面３５ｕに対向している。傾斜面４１ｋは、第一直交面４１ｓの径方向内側Ｄｒｉでディスク部２３のディスク傾斜面２３ｋに対向している。第二直交面４１ｔは、傾斜面４１ｋの径方向内側Ｄｒｉでディスク部２３の直交面２３ｔに対向している。

これら第一直交面４１ｓ、傾斜面４１ｋ、第二直交面４１ｔとは、それぞれ端面３５ｕ、ディスク傾斜面２３ｋ、直交面２３ｔに対し、軸方向Ｄａに沿って所定のクリアランスを隔てるよう、ほぼ平行に形成されている。

このようにして調速段静翼列４１ａと、調速段動翼列３１ａとの隙間に、蒸気主流路１５から径方向内側Ｄｒｉに延びる隙間流路１００Ａが形成されている。この実施形態において、隙間流路１００Ａは、径方向内側Ｄｒｉに向かって延びる外周側流路部１０３と、外周側流路部１０３から径方向内側Ｄｒｉに向かうにしたがって上流側Ｄａｕに傾斜した傾斜流路部１０４と、傾斜流路部１０４から径方向内側Ｄｒｉに向かって延びる内周側流路部１０５と、を有する。

外周側流路部１０３は、プラットフォーム３５の端面３５ｕと第一直交面４１ｓとの間に形成されている。外周側流路部１０３は、蒸気主流路１５から傾斜流路部１０４まで延びている。

傾斜流路部１０４は、傾斜面４１ｋとディスク傾斜面２３ｋとの間に形成されている。傾斜流路部１０４は、外周側流路部１０３と連続した流路として形成されている。

内周側流路部１０５は、第二直交面４１ｔと直交面２３ｔとの間に形成されている。内周側流路部１０５は、傾斜流路部１０４と連続した流路として形成されている。

ここで、隙間流路１００Ａは、径方向Ｄｒにおける長さ寸法Ｒ１が、動翼３２の翼根３６の径方向Ｄｒにおける長さＲ２と同じか、長さＲ２より長く形成することが好ましい。

隙間流路１００Ａの内周側流路部１０５は、ノズル室１１よりも径方向内側Ｄｒｉで、ラビリンスシール等の複数のシール部材１６が設けられた空間１７に繋がれている。シール部材１６は、ノズル室１１の径方向内側Ｄｒｉに設けられている。シール部材１６は、軸芯部２２とケーシング１０とに間から蒸気がケーシング１０の外部に流出しないようにシールしている。空間１７は、シール部材１６を介して蒸気タービン１の外部と連通している。そのため、空間１７内の圧力Ｐ１は蒸気主流路室１２の圧力Ｐ２よりも低くなっており、例えば１ａｔｍ程度に設定されている。

また、隙間流路１００Ａにおいて、外周側流路部１０３、傾斜流路部１０４、及び内周側流路部１０５の流路幅は、アキシャルフィン３５Ｆａ及び３５Ｆｂの先端部と、調速段静翼列４１ａの下流側の端部である内側リング４６の後端４６ｂとの軸方向Ｄａのクリアランスよりも大きく形成されている。また、この流路幅は、調速段動翼列３１ａの上流側の端部であるプラットフォーム３５の端面３５ｕと、調速段静翼列４１ａの内側リング４６の後端４６ｂとのクリアランスよりも小さく形成されている。

この隙間流路１００Ａには、調速段動翼列３１ａの各動翼３２と翼溝２８との隙間１０１の軸方向Ｄａの一端（第一端）である上流側端部１０１ａが繋がっている。隙間１０１は、空間１７内の蒸気の圧力Ｐ１よりも高い圧力Ｐ２の蒸気が存在する蒸気主流路室１２の蒸気が、軸方向Ｄａの他端（第二端）である下流側端部１０１ｂから上流側端部１０１ａに向かって逆流する。すなわち、図２に示したように、係合凸部３８Ａ、３８Ｂ、３８Ｃの翼根内側面３８ｇと、係合凹部２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃの翼溝外側面２９ｇとの間に形成された各隙間１０１は、連通路１０２として機能する。これにより、隙間流路１００Ａは、連通路１０２を介して空間１７内の蒸気の圧力Ｐ１よりも高い圧力Ｐ２の蒸気が存在する蒸気主流路室１２と連通している。

図３に示すように、隙間流路１００Ａにおいては、ノズル室１１から調速段静翼列４１ａの静翼４２を通った蒸気主流路１５の蒸気の一部が、内側リング４６の後端４６ｂと、調速段動翼列３１ａのプラットフォーム３５の端面３５ｕとの隙間から、隙間流路１００Ａに流れ込む。

一方、連通路１０２を通して、空間１７よりも高い圧力Ｐ２を有している蒸気主流路室１２の蒸気Ｓｈが、隙間流路１００Ａに噴出して流れ込む。すると、隙間流路１００Ａにおいては、連通路１０２から噴出された高圧の蒸気Ｓｈにより、蒸気主流路１５から隙間流路１００Ａに流入する蒸気Ｓの流れが縮流される。この縮流効果によって、隙間流路１００Ａに流入する蒸気Ｓの流れ込みを抑えることができる。

以上のように、本実施形態の蒸気タービン１によれば、蒸気主流路１５を流れる蒸気Ｓの一部が隙間流路１００Ａに流入する。隙間流路１００Ａには、空間１７内の蒸気Ｓの圧力よりも圧力の高い蒸気主流路室１２内の蒸気Ｓｈが、連通路１０２を通って流れ込む。これにより、隙間流路１００Ａ内を流れる蒸気主流路１５から漏れ出た蒸気Ｓの流れが縮流される。つまり、蒸気主流路１５から隙間流路１００Ａに流れ出た蒸気Ｓの流れが阻害され、蒸気主流路１５から隙間流路１００Ａに漏れ出す蒸気Ｓの量を抑えることができる。したがって、蒸気主流路１５を流れる蒸気Ｓが径方向内側Ｄｒｉに漏れる量を低減し、タービン効率を改善することが可能となる。

また、隙間流路１００Ａに、動翼列３１側から、静翼列４１側に向かって延びるアキシャルフィン３５Ｆａ及び３５Ｆｂを備えている。そのため、調速段動翼列３１ａと調速段静翼列４１ａとの軸方向Ｄａの間の間隔を狭めて、隙間流路１００Ａに流入する蒸気Ｓの量をより抑えることができる。したがって、蒸気主流路１５を流れる蒸気Ｓが径方向内側Ｄｒｉに漏れる量をより低減することができる。

また、隙間流路１００Ａの流路幅は、アキシャルフィン３５Ｆａ及び３５Ｆｂの先端部と、調速段静翼列４１ａの内側リング４６の後端４６ｂとの軸方向Ｄａのクリアランスよりも大きく形成されている。これにより、調速段動翼列３１ａと調速段静翼列４１ａとの間に、必要最低限の流路幅を有する隙間流路１００Ａを形成することができる。したがって，連通路１０２から噴出する蒸気Ｓｈによる縮流効果を最も効率的に利用した隙間流路１００Ａを形成することができる。

また、隙間流路１００Ａの流路幅は、調速段動翼列３１ａのプラットフォーム３５の端面３５ｕと、調速段静翼列４１ａの内側リング４６の後端４６ｂとのクリアランスよりも小さく形成されている。これにより、調速段動翼列３１ａと調速段静翼列４１ａとの間を広げすぎて連通路１０２から噴出する蒸気Ｓｈの影響がなくなってしまうことを抑えて、隙間流路１００Ａを形成することができる。

したがって、上記のような流路幅で隙間流路１００Ａを形成することで、連通路１０２から噴出する蒸気Ｓｈによる縮流効果を効率的に利用した隙間流路１００Ａを形成することができる。

（第２実施形態）
次に、この発明にかかる蒸気タービンの第２実施形態について説明する。この第２実施形態で示す蒸気タービンは、第１実施形態の蒸気タービンに対して、隙間流路１００Ｂが異なるのみである。したがって、第２実施形態の説明においては、第１実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに重複説明を省略する。つまり、第１実施形態で説明した構成と共通する蒸気タービンの全体構成については、その説明を省略する。

図４は、この発明の第２実施形態の蒸気タービンにおける調速段の静翼列及び動翼列の断面図である。
図４に示すように、第２実施形態の蒸気タービン１において、調速段５０ａの動翼列３１のディスク部２３は、上流側Ｄａｕを向く上流側面２３ｕに、ディスク第一直交面２３ｐと、ディスク中間周面２３ｑと、ディスク第二直交面２３ｒと、が形成されている。

ディスク第一直交面２３ｐは、プラットフォーム３５の上流側Ｄａｕの端面３５ｕから径方向内側Ｄｒｉに向かって軸方向Ｄａに直交して延びている。ディスク中間周面２３ｑは、ディスク第一直交面２３ｐから軸方向Ｄａに沿って上流側Ｄａｕに延び、径方向外側Ｄｒｏを向いている。ディスク第二直交面２３ｒは、ディスク中間周面２３ｑの上流側Ｄａｕから径方向内側Ｄｒｉに向かって軸方向Ｄａに直交して延びている。

第２実施形態の調速段静翼列４１ａには、第一直交面４６ｐと、中間周面４６ｑと、第二直交面４６ｒと、が形成されている。
第一直交面４６ｐは、調速段動翼列３１ａのプラットフォーム３５の端面３５ｕ及び調速段ディスク部２３ａのディスク第一直交面２３ｐに対向している。
中間周面４６ｑは、第一直交面４６ｐから軸方向Ｄａに沿って上流側Ｄａｕに延び、径方向内側Ｄｒｉを向いている。
第二直交面４６ｒは、中間周面４６ｑの上流側Ｄａｕからの径方向内側Ｄｒｉに向かって軸方向Ｄａに直交して延びている。

これら端面３５ｕ、ディスク第一直交面２３ｐ、ディスク中間周面２３ｑ、及びディスク第二直交面２３ｒと、第一直交面４６ｐ、中間周面４６ｑ、及び第二直交面４６ｒとは、それぞれ所定のクリアランスを隔ててほぼ平行に形成されている。つまり、端面３５ｕ、ディスク第一直交面２３ｐ、ディスク中間周面２３ｑ、及びディスク第二直交面２３ｒと、第一直交面４６ｐ、中間周面４６ｑ、及び第二直交面４６ｒとによって隙間流路１００Ｂが形成されている。

また、中間周面４６ｑには、シールフィン６０が設けられている。シールフィン６０は、中間周面４６ｑから径方向内側Ｄｒｉにディスク第二直交面２３ｒに向かって突出している。

なお、中間周面４６ｑに設けられるシール部材は、シールフィン６０に限定されるものではなく、中間周面４６ｑとディスク第二直交面２３ｒとの間を封止することができればよい。例えば、中間周面４６ｑとディスク第二直交面２３ｒとの間にラビリンスシールが設けられていてもよい。

調速段静翼列４１ａと調速段動翼列３１ａとの間に形成された隙間流路１００Ｂは、外周側流路部１０８と、中間流路部１０９と、内周側流路部１１０と、を有する。

外周側流路部１０８は、プラットフォーム３５の端面３５ｕ及びディスク第一直交面２３ｐと第一直交面４６ｐとの間に設けられている。外周側流路部１０８は、蒸気主流路１５から径方向内側Ｄｒｉに向かって延びている。

中間流路部１０９は、ディスク中間周面２３ｑと中間周面４６ｑとの間に設けられている。中間流路部１０９は、外周側流路部１０８に接続され、外周側流路部１０８から軸方向Ｄａの上流側Ｄａｕに延びている。

内周側流路部１１０は、ディスク第二直交面２３ｒと第二直交面４６ｒとの間に形成されている。内周側流路部１１０は、中間流路部１０９から径方向内側Ｄｒｉに向かって空間１７に延びている。

この隙間流路１００Ｂには、調速段動翼列３１ａの各動翼３２と翼溝２８との隙間１０１の上流側端部１０１ａが繋がっている。隙間１０１は、空間１７内の蒸気の圧力Ｐ１よりも高い圧力Ｐ２の蒸気が存在する蒸気主流路室１２の蒸気が、下流側端部１０１ｂから上流側端部１０１ａに向かって逆流する。すなわち、図２に示した係合凸部３８Ａ、３８Ｂ、３８Ｃの翼根内側面３８ｇと、係合凹部２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃの翼溝外側面２９ｇとの間に形成された各隙間１０１は、連通路１０２として機能する。

図４に示すように、隙間流路１００Ｂにおいては、ノズル室１１から調速段静翼列４１ａを通った蒸気主流路１５の蒸気Ｓの一部が、内側リング４６の後端４６ｂと、調速段動翼列３１ａのプラットフォーム３５の端面３５ｕとの隙間から、隙間流路１００Ｂに流れ込む。

一方、連通路１０２を通して、蒸気主流路室１２の高い圧力の蒸気Ｓｈが、隙間流路１００Ｂに噴出して流れ込む。すると、隙間流路１００Ｂにおいては、連通路１０２から噴出された高圧の蒸気Ｓｈにより、蒸気主流路１５から隙間流路１００Ｂに流入する蒸気Ｓｎの流れが縮流される。この縮流効果によって、隙間流路１００Ｂに流入する蒸気Ｓｎの流れ込みを抑えることができる。

この実施形態の蒸気タービン１によれば、蒸気主流路１５を流れる蒸気Ｓの一部が隙間流路１００Ｂの外周側流路部１０８に流入する。外周側流路部１０８に流入した蒸気Ｓは、中間流路部１０９及び内周側流路部１１０を経て空間１７まで流通する。この際、隙間流路１００Ｂには、空間１７内の蒸気Ｓの圧力よりも圧力の高い蒸気主流路室１２内の蒸気Ｓｈが連通路１０２を通って流れ込む。これにより、隙間流路１００Ｂの外周側流路部１０８や内周側流路部１１０内を流れる蒸気Ｓの流れが縮流される。つまり、蒸気主流路１５から隙間流路１００Ｂに流れ出た蒸気Ｓの流れが阻害され、蒸気主流路１５から隙間流路１００Ｂに漏れ出す蒸気Ｓの量を抑えることができる。したがって、蒸気主流路１５を流れる蒸気Ｓが径方向内側Ｄｒｉに漏れることを抑え、タービン効率を改善することが可能となる。

また、隙間流路１００Ｂは、外周側流路部１０８、中間流路部１０９、内周側流路部１１０の順に径方向外側Ｄｒｏから径方向内側Ｄｒｉに向かってクランク状に大きく屈曲している。そのため、隙間流路１００Ｂの流路抵抗が大きくなり、蒸気主流路１５から流れ出る蒸気Ｓの量を抑えることができる。

さらに、クランク状に屈曲した部分である中間流路部１０９には、径方向内側Ｄｒｉに延びるシールフィン６０が設けられている。これにより、隙間流路１００Ｂにおけるシール性を高めることができる。

（その他の実施形態）
なお、この発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲において、設計変更可能である。

例えば、各動翼３２の係合凸部３８Ａ、３８Ｂ、３８Ｃの翼根内側面３８ｇと、翼溝２８の係合凹部２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃの翼溝外側面２９ｇとの間に形成された隙間１０１を、連通路１０２として用いるようにしたがこれに限らない。

例えば、係合凸部３８Ａ、３８Ｂ、３８Ｃの翼根内側面３８ｇと、翼溝２８の係合凹部２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃの翼溝外側面２９ｇとの間に限らず、翼根３６の内周部や、ディスク部２３で周方向Ｄｃにおいて互いに隣接する翼溝２８の間に、ディスク部２３の上流側Ｄａｕと下流側Ｄａｄとを連通する連通路１０２を形成しても良い。

さらに、各動翼３２の係合凸部３８Ａ、３８Ｂ、３８Ｃの翼根内側面３８ｇに、翼根内側面３８ｇから径方向外側Ｄｒｏに窪むよう形成した凹部を連通路１０２としてもよい。また、翼溝２８の係合凹部２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃの翼溝外側面２９ｇに、翼溝外側面２９ｇから径方向内側Ｄｒｉに窪むよう形成した凹部を連通路１０２としてもよい。

さらに、蒸気タービン１の各部の構成については、適宜変更することが可能である。

調速段を構成する静翼列及び動翼列の隙間に形成された隙間流路に連通路から蒸気が流入することで、蒸気主流路を流れる蒸気の漏れ量を低減し、タービン効率を改善することが可能となる。

１蒸気タービン
１０ケーシング
１１ノズル室
１２蒸気主流路室
１３排気室
１５蒸気主流路
１６シール部材
１７空間
２０ロータ
２１ロータ軸
２２軸芯部
２３ディスク部
２３ｆロータ外周面
２３ｋディスク傾斜面
２３ｎ厚肉部
２３ｐディスク第一直交面
２３ｑディスク中間周面
２３ｒディスク第二直交面
２３ｔ直交面
２３ｕ上流側面
２３ｚ肉厚増大部
２８翼溝
２９、２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃ係合凹部
２９ｆ翼溝内側面
２９ｇ翼溝外側面
３１動翼列
３２動翼
３３翼体
３４シュラウド
３５プラットフォーム
３５Ｆａ、３５Ｆｂアキシャルフィン（フィン）
３５ｆプラットフォーム内周面
３５ｕ端面
３６翼根
３８、３８Ａ、３８Ｂ、３８Ｃ係合凸部
３８ｆ翼根外側面
３８ｇ翼根内側面
３９Ａ第一幹部
３９Ｂ第二幹部
３９Ｃ第三幹部
４１静翼列
４１ｋ傾斜面
４１ｓ、４６ｐ第一直交面
４１ｔ、４６ｒ第二直交面
４２静翼
４３外側リング
４４リング本体部
４５リング突出部
４６内側リング
４６ｄ下流側面
４６ｂ後端
４６ｑ中間周面
５０段
５０ａ調速段
５０ｂ中圧段
５０ｃ低圧段
６０シールフィン
１００Ａ、１００Ｂ隙間流路
１０１隙間
１０１ａ上流側端部
１０１ｂ下流側端部
１０２連通路
１０３，１０８外周側流路部
１０４傾斜流路部
１０５、１１０内周側流路部
１０９中間流路部
１２１、１２２凹部
Ａｒ軸線
Ｄａ軸方向
Ｄａｄ下流側
Ｄａｕ上流側
Ｄｃ周方向
Ｄｒ径方向
Ｄｒｉ径方向内側
Ｄｒｏ径方向外側
Ｐ１圧力
Ｐ２圧力
Ｒ１寸法
Ｓ、Ｓｈ蒸気

Claims

軸線を中心として回転する軸芯部と、前記軸芯部に固定されて前記軸芯部における径方向外側に広がるディスク部とを有するロータ軸と、
前記ディスク部の外周に固定され、前記軸芯部が延びる軸方向に並んでいる複数の動翼列と、
複数の前記動翼列毎に、前記動翼列の前記軸方向における上流側に隣接している静翼列と、を備え、
前記動翼列と、前記動翼列の上流側に隣接配置されている前記静翼列との組で構成される複数の段のうち、最も上流側に配置されている調速段を構成する前記静翼列及び前記動翼列の隙間に、前記軸方向に延在して蒸気が流通する蒸気主流路から径方向内側に延びる隙間流路が形成され、
一端が前記ディスク部における前記静翼列と対向する面で前記隙間流路に連通し、他端が前記隙間流路内の前記蒸気の圧力よりも高い圧力の前記蒸気が存在する空間に連通する連通路が前記調速段の前記動翼列が固定された前記ディスク部に前記軸方向に連続して形成され、
前記隙間流路は、外部と連通する空間と繋がっている蒸気タービン。
前記隙間流路の前記径方向の前記蒸気主流路側に設けられ、前記動翼列から前記静翼列に向かって延びるフィンを備える請求項１に記載の蒸気タービン。
前記隙間流路の流路幅は、
前記フィンの先端部と前記静翼列の下流側の端部との隙間よりも大きく、
前記調速段の前記動翼列の上流側の端部と前記調速段の前記静翼列の下流側の端部との間で最も大きくされている請求項２に記載の蒸気タービン。
前記隙間流路は、前記蒸気主流路から前記径方向内側に延びる外周側流路部と、
前記外周側流路部に接続され、前記軸方向に延びる中間流路部と、
前記中間流路部から前記径方向内側に延びる内周側流路部と、
を備える請求項１から３の何れか一項に記載の蒸気タービン。